随着我国经济发展、城市化进程的加快, 城市建设用地紧张问题日益突出, 要在有限的城市建设用地上获得更多的建筑使用面积, 发展高层建筑和开发地下空间已成为城市发展的必然要求。建筑结构形式和基础形式发生了很大的变化, 高层、超高层建筑越来越多, 主裙楼结构也越来越普遍, 成为城市建筑的主要结构形式, 基础形式也由单栋建筑的箱形基础、筏形基础, 发展为大面积整体筏形基础, 即一栋或多栋多、高层建筑建造在一个大面积的整体筏形基础上, 给地基基础设计和施工带来了很多新问题, 比如:主裙楼结构的荷载传递及其变形特征、高层建筑与地下结构的连接技术、主裙楼结构变形控制及其施工技术、沉降后浇带设置技术及可取消的条件等。针对以上问题, 中国建筑科学研究院地基基础研究所开展了一系列的模型试验、数值分析、工程实测等研究, 对主裙楼结构的地基反力、变形特征、变形控制标准、主裙楼连接方式等方面进行了研究, 相关成果已写入GB50007—2011《建筑地基基础设计规范》^[1]。

对于在大面积整体筏形基础上建造的一个或多个高、多层建筑组成的建筑群, 其荷载传递规律、变形特征比传统的单体建筑复杂得多。主楼与裙房之间变形协调、多个主楼之间的相互影响等问题, 都涉及考虑上部结构、基础与地基共同作用的荷载传递、沉降计算问题, 最终归结到按变形控制基础设计问题。中国建筑科学研究院地基基础研究所自20世纪90年代开始, 进行了一系列大型室内模型试验^[2,3,4,5,6], 以研究大面积整体筏形基础的荷载传递及变形特征等。

为了研究荷载作用下筏形基础的变形特征及反力分布, 主裙楼结构筏形基础简化模型如图1所示。主楼位于扩大的框架-筏形基础之上, 筏板厚度按抗冲切承载力确定, 且≥1/6柱跨, 裙楼筏板的厚度与主楼筏板厚度相同。为了研究不同跨数的裙房与主楼共同作用的特征, 对主楼外裙房跨数分别为1, 2, 3跨的情况进行了室内模型试验^[2], 试验编号分别为FS-1、FS-2、FS-3, 模型如图2所示。

模型试验的荷载-沉降曲线如图3所示, 结果表明, 相同荷载作用下主裙楼结构的平均沉降明显小于单栋建筑的平均沉降, 但裙楼扩大部分的跨数对主裙楼结构的平均沉降影响不明显。

模型试验的沉降和地基反力实测结果如图4~5所示。可以看出筏板沉降呈盆形沉降特征, 其地基反力分布不同于单栋建筑的鞍形分布, 分布形式总体上与沉降分布类似。

由模型试验的沉降分布曲线 (见图4) 可知, 主裙楼结构中主楼最大沉降值相近;随着裙楼跨数增加, 筏板挠曲值增大, 说明随着裙楼跨数的增加, 主裙楼结构的筏形基础刚度逐渐由刚性、半刚性向柔性转化。但是主裙楼结构的主楼沉降比单体建筑的沉降减小。

模型试验的地基反力实测结果 (见图5) 表明:采用筏形基础的主裙楼结构, 裙楼可以有效地扩散主楼荷载, 主楼部位的基底压力降低。裙楼分别为1, 2, 3跨时, 模型试验FS-1、FS-2、FS-3裙房部分的地基反力约占基底总反力的比例分别为40%, 52%, 54%, 随着裙房跨数的增加, 裙房分担主楼荷载的比例逐渐收敛, 说明主楼荷载可以通过裙房及一定刚度的筏板向周边扩散, 但扩散范围有限。另外从地基反力实测曲线还可以看出, 模型试验FS-1、FS-2、FS-3的地基反力分布不同, 裙房跨度为1跨时, 整个筏板地基反力近似于均匀分布, 裙房跨度为2, 3跨时, 筏板地基反力呈盆形分布, 说明主楼外1跨裙房对于主楼荷载扩散的作用最明显, 也是主楼荷载扩散的主要范围, 超出1跨外的裙房扩散主楼荷载的作用明显减弱。

根据上一节试验结果得知, 对于采用筏形基础的主裙楼结构, 裙楼可以有效扩散主楼荷载。对同一大面积整体筏形基础上有多栋主楼的结构, 为了研究主楼间的相互影响及合理距离, 进行了并列双主楼的模型试验研究^[3]。试验模型如图6所示。试验的加载方式如表1所示。

模型试验的沉降和地基反力实测结果 (见图7) 表明:主楼A荷载由800k N增加到1 600k N时, 区间 (4) ~ (7) 段反力和沉降的增加面积abdc与主楼B荷载由800k N增加到1 600k N引起的增加面积cdfe基本相等。主楼在加荷的过程中, 荷载向裙楼扩散, 当两主楼之间的裙楼<3跨时, 裙楼的地基反力和沉降可以考虑两侧主楼对裙楼的影响, 采用叠加原理计算。

编制有限元程序对模型试验进行数值模拟, 并对主裙楼结构的变形影响因素进行了探讨以进一步考察主裙楼结构筏形基础的反力分布及变形特征。其中结构梁、柱离散为梁单元, 楼板、剪力墙离散为平板壳单元, 筏形基础采用平板弯曲单元进行离散, 地基模型采用有限压缩层地基模型。对于采用筏形基础的主裙楼结构, 共同作用分析的地基反力及变形分布规律与模型试验的结果是一致的。对建筑单体、主楼外分别挑出1, 2, 3跨的主裙楼结构共同作用进行分析, 得到的地基反力结果如图8所示。

由图8可以看出, 对于单体建筑, 基底压力呈鞍形分布, 主楼中间部位地基反力较小, 基础边端地基反力较大, 呈现出刚性基础的特征;对于采用筏形基础的主裙楼结构, 基底压力曲线呈盆形分布, 主楼中部地基反力最大, 主楼边端无反力放大现象, 主楼外第1跨裙房的地基反力与主楼接近, 第2, 3跨裙房的地基反力衰减较快。说明裙房和一定刚度的筏板可以有效扩散主楼荷载, 但是主要影响范围为主楼外1跨, 超过3跨主楼荷载将扩散不过去。另外从图8中还可以看出, 主裙楼结构的主楼中部基底压力与单体结构中部的基底压力基本一致, 主裙楼结构主楼的平均基底压力明显小于单体建筑的平均基底压力。

采用筏形基础的主裙楼结构, 裙楼可以有效地扩散主楼荷载, 因此主楼的平均地基反力明显降低, 另一方面主裙楼结构基础埋置较深、回弹再压缩变形占总变形的比例较大, 因此主楼的平均沉降比无裙房时明显减小, 且基础的沉降曲线较平缓。由此可见, 裙房连同一定刚度的筏板可以有效地扩散主楼荷载, 进而起到调整主裙楼的差异沉降作用。

共同作用分析表明, 影响主裙楼结构变形的因素很多, 基础刚度、上部结构刚度、地基刚度、主楼结构形式、裙楼的层数和跨数等都对主裙楼结构的变形有影响^[7]。

对于主裙楼结构, 特别是同一大面积整体筏形基础上建有多栋多、高层建筑时, 由于荷载和结构刚度分布不均匀, 与单体建筑相比, 其地基反力分布和沉降分布较为复杂, 因此对于此类结构应通过上部结构、基础与地基的共同作用分析确定地基反力和沉降。需要注意的是, 地基反力分布不同于上部结构荷载的分布, 更不能将某个部位投影面积上的荷载总和等同于该部位的地基反力。对于正常固结的黏性土、粉土、砂性土地基上的单体高层建筑, 当筏形基础刚度满足规范要求时, 尽管内筒部位投影面积上的荷载远大于平均荷载, 但内筒部位的基底压力仅为平均荷载的0.7~0.8, 小于平均荷载, 更远小于该部位投影面积上的荷载值, 因此筒体部位的地基反力与该部位的荷载是不平衡的, 因此内筒部位的冲切验算很重要, 但是由于单体建筑基础边端和角端地基反力呈鞍形放大, 单体建筑的平均地基反力与平均荷载是平衡的。对于主楼周边都有裙房的主裙楼高层建筑, 当筏形基础刚度满足规范要求时, 内筒部位的地基反力与单体建筑的内筒部位的地基反力接近, 为主楼平均荷载的0.7~0.8, 筒体部位的地基反力与该部位的荷载是不平衡的;由于裙楼起到扩散主楼荷载的作用, 导致主楼的平均地基反力小于主楼的平均荷载, 也就是说主楼部位的地基反力与主楼荷载也是不平衡的, 因此主裙楼结构地基反力分布及变形分布比单体建筑复杂得多, 必须采用上部结构、基础与地基共同作用的分析方法确定地基反力和沉降。

建筑物地基基础设计采用变形控制设计的原则。对于土质地基上的主裙楼结构, 由于其荷载分布和结构刚度比单体建筑差异更大, 因此其变形控制要求更严格。随着裙楼跨数的增加, 整体筏形基础刚度逐渐由刚性向柔性转化, 筏板整体挠曲值增大。当整体挠曲值超过一定限值, 筏板将产生开裂, 因此对于主裙楼结构, 除了满足单体建筑的变形控制指标外, 还必须对主楼的整体挠曲值加以限制。模型试验结果与实测结果如表2, 3所示。

由表2的试验结果表明, 模型的整体变形曲线呈盆形, 当筏板的整体挠曲超过0.7‰时, 筏板出现开裂, 随后底层框架边柱、角柱也发生开裂。表3的工程实测结果表明, 主楼挠曲值通常不大, 但超过0.5‰时, 筏板出现开裂现象。因此对于主裙楼结构, 除了满足单体建筑的变形控制指标外, 还必须对主楼的整体挠曲值加以限制。因此, 《建筑地基基础设计规范》规定“带裙房的高层建筑下的整体筏形基础, 其主楼下筏板的整体挠曲值不宜大于0.05%, 主楼与相邻的裙房柱的差异沉降不应大于其跨度的0.1%”^[1]。

由于主裙楼结构的主楼、裙房荷载及刚度存在差异, 主裙楼基础之间往往会产生不均匀沉降。为解决主裙楼的差异沉降问题, 主裙楼之间的连接方式有设置沉降缝、设置沉降后浇带以及主裙楼整体连接3种, 3种方式各有优缺点及应用范围。

1) 沉降缝 在主楼与裙楼间设置沉降缝, 将主楼和裙楼分割为2个或多个独立的结构单元, 各结构单元间可自由沉降, 可有效降低地基不均匀沉降产生的损害, 但是设置沉降缝对于地下空间的使用功能影响较大, 不利于地下空间的整体利用, 目前较少采用。

2) 沉降后浇带 沉降后浇带是在主楼与裙房间设置的一定宽度的板带, 该部位施工初期钢筋互相搭接但不浇筑混凝土, 主楼、裙房可以自由沉降, 待主楼和裙楼的差异沉降控制在设计允许的范围内后, 再浇筑后浇带处的混凝土, 使主裙楼连成整体。由于设置沉降后浇带不影响地下空间的使用功能, 又可解决主裙楼间差异沉降的问题, 是目前经常使用的主裙楼连接方式。后浇带施工涉及到二次作业, 施工的复杂性增加, 施工工期延长, 且后浇带处的钢筋混凝土质量不易控制, 施工费用大。

3) 主裙楼整体连接 主裙楼整体连接, 就是主楼与裙楼间既不设沉降缝也不设置沉降后浇带, 而是施工时直接连接成为一个整体, 通过基础及结构的刚度调整不均匀沉降。由于整体连接方式施工方便、施工质量容易保证, 且已施工的结构可以随时投入使用, 节约了施工成本, 缩短了施工工期, 因此主裙楼整体连接是主裙楼结构连接的发展方向。

模型试验和工程实践表明:对于采用筏形基础的主裙楼结构, 当具有一定的基础刚度 (筏板厚度满足冲切要求且厚度≥1/6柱跨) 和裙房刚度 (通常≥2层裙房) 时, 主楼荷载可以有效地向裙楼扩散, 主楼的平均沉降比单体建筑明显减小, 主裙楼结构的沉降曲线较平缓。当主楼沉降和主裙楼差异沉降可以控制在规范允许的范围内时, 主裙楼间就可以不设置沉降缝和沉降后浇带, 实现主裙楼整体连接。这种连接方式已成功应用于北京富景花园、北京中国银行大厦等数十项工程。

对于主裙楼结构, 当不满足整体连接条件时, 可设置沉降后浇带。沉降后浇带的设计主要涉及2个问题: (1) 沉降后浇带的位置; (2) 沉降后浇带的封闭时间。沉降后浇带设置的位置不同, 主裙楼结构的沉降及地基反力分布特征是有差异的, 主楼的变形控制指标也不相同, 对后浇带的浇筑时间也有影响。

沉降后浇带通常设置在裙房剪力较小处。实际工程中, 沉降后浇带通常设置在与主楼相邻的第1跨或第2跨裙房。当主楼基础面积满足地基承载力和变形要求, 但主裙楼间的差异沉降不满足要求时, 可将后浇带设置在主楼外第1跨。后浇带浇筑前, 主楼的基底压力和变形特征表现为单体建筑的特征, 其变形控制指标为平均沉降、差异沉降、整体倾斜等;当需要满足主楼地基承载力、降低主楼沉降量、减小主裙楼之间的差异沉降而增大主楼基础面积时, 可将后浇带设置在主楼外第2跨, 后浇带浇筑前, 主楼的基底压力和变形特征表现为主裙楼结构的特征, 其变形控制指标除了平均沉降、差异沉降、整体倾斜等, 还应该满足整体挠曲的要求。通过共同作用分析, 沉降后浇带设置在不同位置时主裙楼结构的沉降及地基反力分布特征各不相同。

当沉降后浇带设置在主楼外第1跨时, 后浇带浇筑前, 主楼呈单体建筑的特征, 主楼沉降呈盆形分布, 主楼地基反力呈鞍形分布;后浇带浇筑后, 呈现主裙楼结构的特征, 新增的变形、基底反力呈盆形, 但曲线比较平缓。后浇带封闭时间越晚, 主楼下的地基反力越大、主楼最大沉降越大。

当沉降后浇带设置在主楼外第2跨时, 沉降后浇带浇筑前, 后浇带内即为主裙楼结构, 因此其沉降和地基反力呈现主裙楼结构特征;后浇带浇筑后, 仍为主裙楼结构, 但裙楼的范围加大。与后浇带设置在主楼外第1跨相比, 主楼最大沉降明显减少, 主楼地基反力降低, 主裙楼连接处的差异沉降减小, 后浇带封闭时间可以适当提前。

当根据沉降观测判断沉降后浇带两侧差异沉降值满足设计要求时, 方可浇筑沉降后浇带。沉降后浇带浇筑主要依据的是沉降观测, 因此对于设置沉降后浇带的主裙楼结构, 必须在施工全过程进行沉降观测, 实际工程中因沉降后浇带浇筑不当而引起的工程事故屡见不鲜, 究其原因基本是因为缺少沉降观测或沉降观测不准确造成的, 因此对于设置沉降后浇带的主裙楼结构的沉降观测必须加以重视。

1) 对于采用筏形基础的主裙楼结构, 随着主楼外裙房跨数的增加, 筏形基础的变形特征由刚性、半刚性向柔性转化。与单体建筑相比, 主裙楼结构主楼的平均沉降减小, 基础的沉降曲线较平缓。

2) 采用筏形基础的主裙楼结构, 裙楼可以有效地扩散主楼荷载, 与单体建筑相比, 主裙楼结构主楼的地基反力明显降低。

3) 主裙楼结构, 由于其荷载分布和结构刚度差异较大, 因此其变形控制要求更严格, 除了满足单体建筑的变形控制指标外, 还必须对主楼的整体挠曲值加以限制。

4) 对于采用筏形基础的主裙楼结构, 当具有一定的基础刚度和裙房刚度时, 可以通过基础和结构刚度调整不均匀沉降。通过合理设计, 当主裙楼的各项变形指标控制在规范许可的范围内时, 可以实现主裙楼结构的整体连接。

5) 沉降后浇带设置的位置不同时, 其沉降及地基反力分布特征是有差异的, 主楼的变形控制指标也不相同, 对沉降后浇带的封闭时间也是有影响的。对于设置沉降后浇带的主裙楼结构, 当需要通过增大主楼基础面积来满足主楼地基承载力、降低主楼沉降以及主裙楼沉降差时, 可将后浇带设置在距主楼边柱的第2跨内。